Hinweise zur Bauweise und Verlegung von Betonrinnen (Teil 1)

1 Planungsgrundlagen

Rinnen sind Bauteile, für deren Herstellung sowohl beim Planer als auch beim Ausführenden die nötige Fachkunde und langjährige Erfahrungen vorliegen sollten. Dies ist auch der Grund dafür, dass bei der Auswahl der Baustoffe und der Bauausführung besondere Sorgfalt aufzuwenden ist, um dauerhafte und gebrauchstaugliche Entwässerungsrinnen herstellen zu können. Die nachfolgenden Ausführungen sollen dazu dienen, die wichtigsten Fehler bei der Planung und Ausführung von Rinnen darzustellen, um die Gefahr für die Entstehung von Schäden an den Rinnen zu minimieren.

1.1 Belastung der Rinne

Nicht selten wird die Verkehrsbelastung von Entwässerungsrinnen von den Planern unterschätzt. So werden (ebenfalls nicht selten) Verkehrsflächen geplant, bei denen mehrere negative Faktoren zusammenkommen, sodass bei diesen Rinnen Schäden vorprogrammiert sind. Das nachfolgende Beispiel aus Abb. 1 zeigt eine höher belastete Mittenrinne einer engen Straße mit Busverkehr, die unter Verwendung kleinformatiger und noch dazu dichter Natursteine geplant und auch ausgeführt wurde.

In Kombination mit einer nicht sachgerechten Füllung der Fugen mit dem Fugenmörtel resultierten bei diesen Flächen teilweise die in Abb. 2 dargestellten, massiven Schäden, die im Normalfall zuerst den Fugenmörtel (Rissbildung) und später die gesamte Rinne (Herausbrechen der Natursteine) zerstören.

Im Rahmen der Probenahme zeigte sich, dass kein sachgerechter Verbund zwischen den sehr dichten Natursteinen und dem Fugenmörtel (bei dichten Natursteinen steigt das Risiko der Ablösung des Fugenmaterials von den Pflastersteinen an) vorlag. Begünstigt wurden die Abrisse zwischen den Baustoffen im Besonderen im Randbereich der Rinne dadurch, dass im Rahmen der Planung keine Randeinfassung der Rinne vorgesehen wurde. Bei der Dimensionierung von Rinnen ist darüber hinaus zu berücksichtigen, dass gerade in der Bauphase zum Teil hohe Beanspruchungen vorliegen, die ggf. deutlich über die der Nutzungszeit hinausgehen. Abb. 3 zeigt eine „ruhige Anliegerstraße“, die neben der PKW-Nutzung angabengemäß nur selten u. a. durch Fahrzeuge der Müllabfuhr befahren worden sein sollte. In der Bauphase werden aber auch solche Rinnen regelmäßig einer hohen Beanspruchung durch den Lieferverkehr – hier beispielsweise durch ein Transportbetonfahrzeug und eine Betonpumpe – ausgesetzt (siehe Abb. 3).

1.2 Temperaturdehnung und Bewegungsfugen

Um in den Rinnenanlagen entstehende, thermische Spannungen schadensfrei abbauen zu können, sind in Bord-, Rinnen- oder Bord-/Rinnenanlagen Bewegungsfugen einzuplanen, die geradlinig und senkrecht durch den gesamten gebundenen Querschnitt verlaufen und eine vollständige Trennung angrenzender Flächen gewährleisten. Auch im Bereich von Einbauteilen und Anschlüssen sind entsprechende Bewegungsfugen vorzusehen. Obwohl alle Regelwerke auf die Problematik der Bewegungsfugen hinweisen, wird die Größenordnung der resultierenden Verformungen häufig unterschätzt. So führt allein die thermische Verformung aufgrund der Temperaturveränderung in der Oberfläche einer Rinne (bei angenommenen Temperaturen zwischen -20°C und +50°C) ohne weiteres zu Längenänderungen von ca. 0,5 bis 1,0 mm/m, wobei sich diese in Abhängigkeit von der Einbautemperatur auf die Ausdehnung und die Verkürzung der Rinne aufteilen.

Geht man davon aus, dass eine Entwässerungsrinne bei einer Temperatur von 10°C hergestellt wird und im Sommer in der Oberfläche der Entwässerungsrinne Temperaturen von ca. 50°C entstehen, so resultiert bei einem Bewegungsfugenabstand von 8  m eine Temperaturdehnung der Rinne von ca. 3,2 mm, die von den Bewegungsfugen aufgenommen werden muss (siehe auch Abb. 4).

Im Normalfall sollen Bewegungsfugen in Bereichen gepflasterter Rinnen ohne Abläufe aus diesem GrundGrunde möglichst in einem Abstand von maximal 8 m oder besser noch von 6  m geplant werden. Darüber hinaus müssen Bewegungsfugen beiderseits von Straßenabläufen oder Einbauteilen berücksichtigt werden. Wird den Bewegungsfugenabständen und der Komprimierbarkeit der Fugeneinlagen (siehe Abschnitt 1.2) nicht genug Beachtung geschenkt, so treten häufig die in Abb. 5 dargestellten, signifikanten Schäden an den Vorsatzbetonen der Betonpflastersteine neben den Bewegungsfugen auf, die nicht selten zu der fälschlichen Annahme führen, dass Pflastersteine mit einer reduzierten Qualität verwendet wurden.

Neben den Bewegungsfugenabständen, der Einbautemperatur und der Verformbarkeit der Fugeneinlagen ist das Risiko für die Entstehung von temperaturbedingten Rissen in erheblichem Umfang auch von der Verbundfestigkeit zwischen dem Fundamentbeton und den Befestigungselementen abhängig. So steigt das Risiko der Bildung von in regelmäßigen Abständen auftretenden Rissen in gebundenen Konstruktionen

mit zunehmenden Bewegungsfugenabständen,

mit abnehmender Verbundfestigkeit zwischen dem Fundamentbeton und dem Befestigungselement und

mit zunehmender Einbautemperatur.

Erwärmt sich die gebundene Rinne, so versucht sie sich auszudehnen, wobei sie sich bei nicht ausreichender Verbundfestigkeit zwischen den Befestigungselementen und dem Fundamentbeton aufwölbt und Biegespannungen an der Oberseite der Rinne resultieren.

Aus Sicht der Rissbildung in den Rinnen stellt sich die Sachlage dar, wenn Zugspannungen aufgrund einer Abkühlung der Rinne vorliegen, da zementgebundene Baustoffe nur vergleichsweise geringe Zugspannungen aufnehmen können. Derartige Spannungen können nur dann schadensfrei abgebaut werden, wenn Bewegungsfugen mit ausreichend geringen Fugenabständen geplant werden und ein ausreichender Verbund zwischen den Rinnensteinen und der Unterlage vorliegt.

1.2.1 Fugeneinlagen und Einbautemperaturen

Um die genannten Temperaturdehnungen der Rinne schadensfrei aufnehmen zu können, sollten dauerhaft komprimierbare Fugeneinlagen verwendet werden, welche die Verformung der Rinnenanlage schadensfrei aufnehmen können. Gleichzeitig müssen die Fugeneinlagen allerdings auch eine ausreichende Steifigkeit und Rückstellfähigkeit aufweisen, damit die letzte Steinreihe vor der Bewegungsfuge einen ausreichenden Halt durch die Fuge erhält. Wie diese Ausführungen zeigen, muss die Bewegungsfuge trotz ihrer Verformbarkeit zusätzlich die Funktion einer „Rückenstütze“ für die Befestigungselemente übernehmen, damit diese eine ausreichende „Lagestabilität“ aufweisen. Ist die Fugeneinlage zu leicht „verformbar“, so entstehen Risse in den zementären Fugen neben der Bewegungsfuge (siehe Abb. 6).

Der oben abgebildete Schaden ist u. a. dadurch entstanden, dass die verwendeten Fugeneinlagen keine ausreichende Verformungsstabilität aufwiesen, so dass die angrenzenden Pflastersteine durch die einwirkenden Schubkräfte verschoben wurden, wobei Abrisse im Fugenmörtel entstanden. Genau dieser Dualismus (notwendige Verformbarkeit der Fugeneinlage, ohne dass sich diese zu leicht verformt) hat zu der in Fachkreisen häufig kontrovers geführten Diskussion geführt, ob eher harte (z. B. PU-Kautschuk oder vulkanisierter Kautschuk) oder besser weiche Materialien (z. B. Polyolefin-Schaumstoffe) als Fugeneinlagen eingesetzt werden sollten.

Aktuell geht die Fachmeinung in die Richtung, dass

weiche Fugeneinlagen eher für Rinnen mit geringeren Beanspruchungen und

harte Fugeneinlagen eher für Rinnen mit hohen Beanspruchungen verwendet werden sollten.

Wie diese Diskussion zeigt, gibt es hinsichtlich der Härte der Fugeneinlagen demnach keine allgemeingültige, „richtige“ Lösung. Vielmehr muss immer ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Verformbarkeit der Fugeneinlagen zur Aufnahme der Temperaturdehnungen und der erforderlichen Lagestabilität der Pflastersteine neben der Fugeneinlage gefunden werden. Bei dieser Abwägung spielt auch die Einbautemperatur der Rinne eine wesentliche Rolle. Je höher die Temperatur bei der Herstellung der Entwässerungsrinne ist, desto geringer werden die durch die Fugeneinlagen aufzunehmenden Temperaturdehnungen sein, so dass eine geringere Verformbarkeit der Fugeneinlagen erforderlich ist. Im Gegensatz führen hohe Einbautemperaturen dazu, dass sich die Rinnen beim Abkühlen stärker verkürzen und somit deutlich größere Zugspannungen in den Rinnenanlagen resultieren, so dass die Rissgefahr in den Rinnen ansteigt (siehe Abb. 7).

Auch bei diesen, in regelmäßigen Abständen auftretenden Rissen suchen die beteiligten Parteien die Schuld üblicherweise bei den Pflastersteinen, da diese ja gerissen sind. Tatsächlich sind diese Schäden im Normalfall aber eher auf zu große Fugenabstände, hohe Einbautemperaturen, hohe Festigkeiten der Fugenmörtel und vor allem auf einen reduzierten Verbund zwischen der Rinne und der Unterlage zurückzuführen. Auch das Steinformat hat einen Einfluss auf den Rissverlauf in der Rinne. So steigt die Rissgefahr in den Befestigungselementen mit zunehmender Stein- bzw. Plattengröße deutlich an, während bei die Risse bei geringeren Stein- bzw. Plattenformaten eher in den Fugen (bzw. in der Kontaktzone zwischen Fuge und Befestigungselement) entstehen, wo sie optisch deutlich weniger in Erscheinung treten.

1.3 Fugenmörtel

Die Aufgabe des Fugenmörtels sollte aus technischer Sicht darin bestehen, die Befestigungselemente der Rinne sachgerecht zu „verkleben“ und den Wasserzutritt zur Unterlage soweit es geht zu minimieren. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Fuge vollständig mit dem Fugenmörtel gefüllt wird und der Fugenmörtel eine hohe Fließfähigkeit besitzt. Weiterhin müssen die Fugenmörtel einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen, um ihre Aufgabe dauerhaft sicherzustellen und um eine gewisse Optik auch über die Nutzungszeit hinweg zu erreichen. Selbstgemischte Zementmörtel weisen üblicherweise nicht alle erforderlichen Eigenschaften auf, so dass gemäß dem aktuellen Regelwerk (M FPgeb, ATV DIN 18 318 oder ZTV Wegebau) zwingend Materialien mit einem entsprechenden Eignungsnachweis zu verwenden sind.

Allerdings haben die hohen Anforderungen an den Frost-Tausalz-Widerstand dieser Fugenmörtel zwischenzeitlich dazu geführt, dass diese immer höhere Druckfestigkeiten aufwiesen. Aus heutiger Sicht war dies eine Fehlentwicklung, da derartig hohe Druck- und damit auch Zugfestigkeiten der Fugenmörtel dazu geführt haben, dass die Pflastersteine anstelle der Fugenmörtel rissen, was zu einer größeren optischen Auffälligkeit führte. Im heutigen Regelwerk (M FPgeb und ATV DIN 18 318) wurden die Druckfestigkeiten und damit auch die E-Moduln nach oben begrenzt, um so die Gefahr für die Rissbildung in den Pflastersteinen zu reduzieren.

2 Herstellung von Entwässerungsrinnen

2.1 Fundamentbetone

2.1.1 Lieferung des Betons

Aus Kostengründen werden Fundamentbetone schon seit Jahren nur noch im Ausnahmefall auf der Baustelle hergestellt, so dass hier nahezu ausschließlich in sehr trockener Konsistenz hergestellte Transportbetone zur Anwendung kommen. Aufgrund der sehr steifen Konsistenz lässt sich der Zement beim Mischen dieser Materialien häufig aber nicht vollständig aufschließen, so dass die in Abb. 8 und Abb. 9 abgebildeten, sogenanntens „Zementlinsen“ entstehen.

Deren Entstehung führt dazu, dass der zur Betonherstellung eingesetzte Zement bei diesen Mischungen teilweise in Form von „zementären Gesteinskörnern“ (ähnlich dem in rezyklierten Gesteinskörnern gebundenen Zement) gebunden ist und demnach nicht zur Festigkeitsentwicklung des Betons zur Verfügung steht.

2.1.2 Lagerung des Betons auf der Baustelle

Ein sachgerechter Verbund zwischen dem Fundamentbeton und der Rinnenanlage stellt eine wesentliche Voraussetzung für dauerhafte und schadensfreie Rinnen dar. Heutzutage werden i.  d.  R. Transportbetone zur Herstellung der Betonfundamente von Rinnenanlagen eingesetzt, wobei der Beton üblicherweise am frühen Morgen zur Baustelle geliefert wird und hier aufgrund des langsamen Arbeitsfortschritts nicht schnell genug verarbeitet werden kann. Im Ergebnis liegt der Beton über große Teile des Tages auf der Baustelle und ist hier der Witterung (Regen, Sonne, Wind) ausgesetzt. Im Normalfall erfolgt diese „Zwischenlagerung auf der Baustelle“ nicht sachgerecht (weil nicht ausreichend vor Austrocknung geschützt). Um spätere Schäden an der Rinne zu vermeiden, müssten verzögerte Betone eingesetzt werden, die auf der Baustelle so gelagert werden, dass der Beton das zur Hydratation erforderliche Wasser nicht verliert. Das bedeutet, dass der Beton auf „Haufen“ zu lagern und mit Folie abzudecken ist.*

Bei der üblichen Vorgehensweise, bei welcher der Beton entweder ohne weitere Schutzmaßnahmen (Folie …) auf Haufen gelagert wird oder sogar direkt flächig in die Schalung eingebracht wird, lässt sich ein ausreichender Verbund zwischen dem Fundamentbeton und den Befestigungselementen üblicherweise nicht erreichen, da der Beton in der Oberfläche aufgrund der „oberflächlichen Austrocknung“ verdurstet und kein sachgerechter Verbund zwischen dem Rinnenbelag und dem Fundamentbeton resultiert (siehe Abb. 10).

Das nachfolgende Abb. 11 zeigt einen „üblichen“ (aber nicht sachgerechten) Ablauf im Rahmen der Herstellung einer Rinnenanlage. Wie diesem Foto zu entnehmen ist, wurde der Fundamentbeton auf dieser Baustelle im Bereich der geplanten (in diesem Fall sogar geschalten) Rinnenanlage eingebracht, bis der Beton des Transportbetonfahrzeugs vollständig entladen war. Bei dieser Einbringungsart wird dem Beton in den Bereichen, in denen der Fundamentbeton lange offen liegt, das zur Hydratation benötigte Wasser über Stunden entzogen und er „verdurstet“. Bei so eingebrachten Fundamentbetonen wird über große Flächenteile mit hoher Wahrscheinlichkeit kein sachgerechter Verbund zwischen dem Fundamentbeton und der Unterseite der Befestigungselemente der Rinne entstehen.

* Anmerkung des Autors: Um Schäden zu verhindern, haben sich einige Verarbeiter für die Verwendung verzögerter Betone entschieden. Die Verwendung eines Verzögerers ist aber nur dann eine sinnvolle Maßnahme, wenn der Beton bei der Lagerung durch entsprechende Nachbehandlungsmaßnehmen vor dem Austrocknen geschützt wird. So verlängern Verzögerer zwar die Verarbeitungszeit der Betone, sind aber nicht in der Lage, die Gefahr des „Verdurstens“ zu reduzieren. Ganz im Gegenteil hat die Verzögerung des Betons sogar zur Folge, dass das zur Hydratation erforderliche Wasser erst sehr viel später chemisch gebunden wird und somit sogar größere Wassermengen an die Umgebung abgegeben werden. Die Gefahr des Verdurstens steigt demnach im Regelfall bei Verwendung verzögerter Betone an, sofern nicht weitergehende Schutzmaßnahmen zur Vermeidung des Austrocknens ergriffen werden.

Lesen Sie Teil 2 in der BFT International 3/2022.